DE202017107755U1 - Device for reducing harmful bearing stresses - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung zur Reduzierung von schädlichen Lagerspannungen in einer, von einer Zwischenkreisspannung eines Zwischenkreises gespeisten, elektrischen Maschine (M) umfassend einen Wicklungen (7) aufweisenden, gegenüber Erde (GND) isolierten Stator (3) und einen Rotor (2) und eine Motorwelle, wobei ferner ein rotorseitiges Lager (LAR) und ein statorseitiges Lager (LAS) jeweils gegenüber der Erde (GND) isoliert ausgebildet sind und wobei der Rotor (2) und der Stator (3) über eine Bypass-Kapazität (CBypass) mit vorbestimmter Kapazität elektrisch miteinander verbunden sind.DB = EPODOC & ... PN = EP0494351 Device for reducing harmful bearing stresses in an electric machine (M) powered by a DC link voltage of a DC link comprising a stator (3) insulated from ground (GND) having a winding (7) and a rotor (2) and a motor shaft Further, a rotor-side bearing (LAR) and a stator-side bearing (LAS) are each formed isolated from the ground (GND) and wherein the rotor (2) and the stator (3) via a bypass capacitance (CBypass) of predetermined capacity with each other electrically are connected.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reduzierung von unerwünschten Lagerspannungen in einer elektrischen Maschine mit isolierten Lagern und isolierten Statorblechen.The present invention relates to a device for reducing undesired bearing stresses in an electrical machine with insulated bearings and insulated stator laminations.
Drehzahlveränderbare Motoren werden heute überwiegend von Spannungszwischenkreisumrichtern gespeist. Die Speisung durch den Spannungszwischenkreisumrichter kann jedoch zu unerwünschten Lagerspannungen führen, was wiederum zu schädigenden Lagerströmen in den Lagern des Motors führt. Ein solcher Stromfluss durch die Lager kann bei elektrischen Maschinen mit Wälz- und Gleitlagern zu Schäden bis hin zum totalen Ausfall führen.Variable-speed motors today are predominantly fed by voltage source converters. However, the supply by the voltage source inverter can lead to undesirable bearing voltages, which in turn leads to damaging bearing currents in the bearings of the engine. Such a flow of current through the bearings can cause damage in electrical machines with rolling and plain bearings to total failure.
Bei Motoren ohne isolierte Statorbleche finden sich beispielsweise Schleifringe oder Wellenkondensatoren, die zu einer Verringerung der Lagerspannung beitragen. Diese werden zwischen einem geerdeten Gehäuse und der Welle des Rotors angebunden. Mittels Schleifringen oder dem Wellenkondensator kann eine kapazitive Verbindung zwischen dem Rotor und dem Erdpotential hergestellt werden.For motors without insulated stator laminations, for example, there are slip rings or wave capacitors, which contribute to a reduction of the bearing voltage. These are connected between a grounded housing and the shaft of the rotor. By means of slip rings or the wave capacitor, a capacitive connection between the rotor and the ground potential can be established.
Aus dem Stand der Technik sind weitere Abhilfemaßnahmen bekannt. So lehren die Druckschriften
Als alternative Abhilfe wurden in der Vergangenheit hierzu stromisolierte bzw. elektrisch isolierende Lager, z. B. Lager mit einer Keramikisolierung am Außenring oder Hybridlager mit Keramik-Walzkörpern, verwendet. Dennoch besteht bei Verwendung von isolierten Lagern und gleichzeitig isolierten, insbesondere isolierend umspritzen Statorblechen unter Berücksichtigung hochfrequent nicht definiert angebundener Statoren eine unerwünschte Lagerspannung, die es zu vermeiden gilt.As an alternative remedy in the past for this purpose electrically insulated or electrically insulating bearings, z. B. bearings with a ceramic insulation on the outer ring or hybrid bearing with ceramic rolling elements used. Nevertheless, when using insulated bearings and at the same time insulated, in particular insulating, encapsulating stator laminations, taking into account high frequency undefined stators, there is an undesired bearing voltage which must be avoided.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, vorgenannte Probleme zu überwinden und eine Lösung bereit zu stellen, mit welcher die unerwünschten Lagerspannungen und daraus resultierenden Lagerströme bei elektrischen Maschinen mit isolierten Lagern und gleichzeitig isolierten Statorblechen wirksam reduziert werden können.The invention is therefore based on the object to overcome the aforementioned problems and to provide a solution with which the undesirable bearing stresses and resulting bearing currents in electrical machines with insulated bearings and simultaneously insulated stator laminations can be effectively reduced.
Diese Aufgabe wird mittels einer Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.This object is achieved by means of a device having the features of claim 1.
Der Grundgedanke der Erfindung ist darin zu sehen, dass gezielt eine Impedanz zwischen Rotor und Stator oder Lageraußenring angeschlossen wird, die von der Größenordnung einem mehrfachen der Lagerkapazität entspricht, wobei die Lageraußenringe und der Stator isoliert aufgebaut werden.The basic idea of the invention is to be seen in that an impedance between the rotor and stator or bearing outer ring is selectively connected, which corresponds to the order of a multiple of the storage capacity, wherein the bearing outer rings and the stator are constructed isolated.
Das Konzept den Rotor mit dem Statorblech zu verbinden (wobei der Lageraußenring isoliert vom Statorblech aufgebaut und daher gegenüber Erde isoliert ist, stellt gegenüber dem Stand der Technik eine Verbesserung zum Schutz der isolierten Lager dar.The concept of connecting the rotor to the stator lamination (with the bearing outer ring being isolated from the stator lamination and therefore insulated from ground) is an improvement over the prior art in protecting the isolated bearings.
Mittels moderner Fertigungsverfahren ist es bevorzugt, das Umspritzen von Statorblechen bei Motoren kleiner Leistungen vorzusehen. Hierdurch wird die Isolation der Statorbleche des Motors gegenüber dem Lageraußenring (LA) realisiert. Das somit an den Statorblechen anliegende Potential steigt aufgrund einer Gleichtaktänderung an den Klemmen des Motors gegenüber dem Erdpotential deutlich an.By means of modern production methods, it is preferred to provide the overmolding of stator laminations in low-power motors. As a result, the insulation of the stator plates of the motor relative to the bearing outer ring (LA) is realized. The potential thus applied to the stator laminations increases significantly due to a common mode change at the terminals of the motor relative to the ground potential.
Der Rotor selbst weißt dabei ebenfalls eine kapazitive Kopplung gegenüber der Erde auf. Diese wird durch das Umspritzen des Stators nur geringfügig verändert, wodurch der Rotor weiterhin sein Potential behält. Für hochkapazitive Anbauten am Rotor liegt dann das Rotorpotential, das deutlich geringer ist als das Statorpotential, nahe dem Erdpotential.The rotor itself also has a capacitive coupling with respect to the earth. This is only slightly changed by the encapsulation of the stator, whereby the rotor continues to retain its potential. For high-capacitive attachments on the rotor is then the rotor potential, which is significantly lower than the stator potential, near the ground potential.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, die Impedanz zwischen Rotor und Stator zu verringern, beispielsweise durch eine dazwischen angeordnete Bypass-Kapazität. Aufgrund dieser Maßnahme gleichen sich bei richtiger Dimensionierung die Potentiale zwischen Stator und Rotor an und die am rotorseitigen und statorseitigen Lager anliegende Spannung sinkt ab.According to the invention, it is provided to reduce the impedance between rotor and stator, for example by means of a bypass capacitance arranged therebetween. Due to this measure, the potentials between the stator and the rotor are equal when the dimensioning is correct, and the voltage applied to the rotor-side and stator-side bearings decreases.
Wird nun die Kapazität des Bypasskondensators zwischen Lageraußenring und Welle bzw. dem damit leitfähig verbundenen Rotor erhöht, so steigt das BVR-Verhältnis (bearing voltage ratio) des Motors bei gemasstem (d. h. mit Masse verbundenen) oder bei geerdeten Statorblechen deutlich an. Weist der Motor dagegen isolierte oder umspritze Statorbleche auf, so sinkt das BVR, womit eine Reduktion der Lagerspannung erreicht wird. Dabei wird von einem gegenüber dem Rotor oder den Statorblechen isolierten Lagersitz ausgegangen.If the capacity of the bypass capacitor between the bearing outer ring and the shaft or the rotor connected thereto is increased, the BVR ratio (bearing voltage ratio) of the motor increases markedly (ie connected to earth) or grounded stator laminations. If, on the other hand, the motor has insulated or overmoulded stator laminations, the BVR decreases, whereby a reduction of the bearing voltage is achieved. In this case, it is assumed that a bearing seat insulated relative to the rotor or the stator laminations.
Aufgrund des Einsatzes von elektrischen Motoren in den unterschiedlichsten Applikationen variiert die Rotor-Erdkapazität (CRE) entsprechend deutlich. So liegt in Anwendungsfällen mit metallischen Anbauten am Rotor eine hohe Rotor-Erd-Kapazität (CRE) vor, während in Anbauten mit bspw. Kunststoff oder Isolationswerkstoffen eine niedrige Rotor-Erd-Kapazität (CRE) gegeben ist.Due to the use of electric motors in a wide variety of applications, the rotor-earth capacitance (C RE ) varies accordingly significantly. Thus, in applications involving metallic attachments on the rotor, a high rotor-earth capacitance (C RE ) is present, whereas in attachments with, for example, plastic or insulating materials, a low rotor-earth capacitance (C RE ) is given.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen die Konfiguration des Bypass-Kondensators mittels diskret aufgebauter Kondensatoren und mittels Anschluss an die Welle zu realisieren.In an advantageous embodiment of the invention, the configuration of the bypass Condenser to be realized by discretely constructed capacitors and by means of connection to the shaft.
Eine hierzu bevorzugte Möglichkeit besteht darin, die Kondensatoren mittels Schleifringen oder Bürsten elektrisch an die Welle anzubinden, da diese bei Rotation keine störende galvanische, sondern nur eine kapazitive Kopplung aufbauen.A preferred way to do this is to connect the capacitors by means of slip rings or brushes electrically to the shaft, since they do not build up disturbing galvanic, but only a capacitive coupling during rotation.
Um die Isolationseigenschaften des Motors aufrecht zu erhalten ist es denkbar einen Y-Kondensator mit ausreichender Isolationsfestigkeit auf der einen Seite mit dem Statorpaket elektrisch zu verbinden, während die andere Seite des Kondensators an einen Wellenkontaktring oder Wellenkondensator angeschlossen wird. Der Wellenkontakt kann dabei beispielsweise durch eine Kontaktierung von Microfaserbürsten, welche auf der Welle schleifen, hergestellt werden. Für den Kontakt zur Welle kann sowohl eine galvanisch leitfähige Verbindung, als auch eine kapazitive Verbindung (aufgrund eines Freischleifvorgangs) der Microfaserbürsten bestehen.In order to maintain the insulating properties of the motor, it is conceivable to electrically connect a Y capacitor with sufficient insulation strength on one side to the stator core while the other side of the capacitor is connected to a wave contact ring or wave capacitor. The wave contact can be produced, for example, by contacting micro fiber brushes which grind on the shaft. For the contact with the shaft, both a galvanic conductive connection, as well as a capacitive connection (due to a free grinding process) of the microfibre brushes exist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung, vorzugsweise bei der Anwendung bei Außenläufermotoren, kann der Bypass-Kondensator auch mittels Dielektrika zwischen dem isolierten Stator und der Welle realisiert werden.In a further advantageous embodiment of the invention, preferably when used in external rotor motors, the bypass capacitor can also be realized by means of dielectrics between the insulated stator and the shaft.
In einer ebenfalls vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass durch Erhöhen der parasitären Kopplungen zwischen Lager und Erde das Verfahren für größere Rotor-Erd-Kapazitäten (CRE) optimiert wird.In a likewise advantageous embodiment of the invention, it can be provided that by increasing the parasitic coupling between the bearing and the earth, the method for larger rotor-earth capacitances (C RE ) is optimized.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.Advantageous developments of the invention are characterized in the subclaims or are presented in more detail below together with the description of the preferred embodiment of the invention with reference to FIGS.
Es zeigen:Show it:
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die
In der
Erfindungsgemäß sind der Rotor
Für eine Auswertung des Effekts eines Bypass-Kondensators wird, wie in
Die
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- EP 1445850 A1 [0004] EP 1445850 A1 [0004]
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